大型浮顶油罐泡沫灭火系统的研究.doc

大型浮顶油罐泡沫灭火系统的研究中国石化工程建设公司张力摘要：本文对国内1 0万立方米浮顶油罐泡沫灭火系统泡沫喷射口的设置方式、泡沫混合液量计 算等进行了研究，通过一些数据的对比，为超大型浮顶油罐的消防设计方案的选择提供参考关建词：浮顶油罐泡沫喷射口泡沫堰板泡沫混和液泡沫产生器耐压软管0概述 人型浮顶油罐指容量10万m3及10万m3以上的油罐，基本用于储存原油，罐体设计一般采用外浮顶储罐(也称敞VI浮项储罐)，以下简称浮顶油罐。自1985年我国开始引进日本10万mj浮顶油罐至今，我国大型浮顶油罐的建设有了飞速发展。目前国内已经建成了40多台lo万m3浮顶油罐，通过40多台10万m3罐的建造，我国基本掌握了建造10万m3浮项油罐的关键技术，而设计、建造15万 一大型浮顶油罐在国内尚属空白，随着石油工业的进一步发展，建造大型石油中转及储备基地已被业 内人士提到议事日程上来了，因而，开发研究15万m3大型浮项油罐的设计、建造技术已迫在眉睫，2001年底，中国石化集团公司工程建设部组织开展了集团公司大型浮顶油罐技术开发为期20天的围 内调研工作，调查了2l台10万m3油罐，丰耍了解了国内目前大型油罐、油库的现状及设汁、建造 技术水平，为15万m3大型浮顶油罐及配套技术的研制开发提供了有价值的参考。浮顶油罐可能发生两种不同形式的火灾，即密封部位的火灾和全液面火灾(当浮顶沉没时)，到目 前为止，浮项油罐基本采用钢制双盘式或浮船式浮顶结构，实践表明，符合NFPA30易燃。与可燃液 体规范要求的钢制双盘式或浮船式浮顶油罐围际公认其最常见的火灾形式还是密封部位的火灾。 NFPAll和GB50151中有关浮顶油罐部分的低倍数泡沫灭火系统的设计条文均为针对密封区域设防的 火灾。其典型的泡沫火火工艺流程为通过固定式泡沫灭火系统，将泡沫混合液输送到泡沫产生器，再 通过泡沫喷射口将泡沫直接施加到密封区灭火。固定式泡沫灭火系统是由崮定的泡沫消防泉、泡沫比 例混合装置、泡沫产生装置和系统管道组成的灭火系统，针对不同类型油罐及不同性质油品，其泡沫 混合液供给强度及泡沫混合液连续供给时间均小同，对于大型浮顶油罐，确保整个系统的安全性、可 靠性的同时、力求泡沫混合液均匀流淌，并以较经济的方式保证泡沫混合液的供给强度及供给时间是 我们的目的。本文就国内10万mj浮顶油罐泡沫灭火系统的设汁实例，结合NFPAll和GB50151，对大型浮顶 油罐泡沫灭火系统的泡沫喷射口设置方式、泡沫混合液量的计算等进行分项研究，通过一些数据的对 比，为15万m3以上超大型浮顼油罐的消防设计方案的选择提供帮助。1常用密封结构的种类调查的国内21台10万一油罐的密封结构以一级密封加二级密封为丰，其中中油秦皇岛输油站 和舟tll岙山油库从日本进口的10万m3油罐采用一级密封加金属挡雨板的结构。一级圣f封多数为围产 软密封(即管式密封)，密封材料多为耐油橡胶包弹性聚氯酯。二级密封无论进口产品，还是国产产品， 密封效果均不错，均优于一次密封加金属挡雨板的结构。国外浮顶油罐的密封结构种类较多，NFPA标准中共列举了四种形式：机械密封、管式密封加金 属挡雨板、管式密封加全部或部分采用可燃材料的二级密封、管式密封加金属二级密封。2泡沫喷射口设置方式类型泡沫喷射口设置方式分为二种型式，其一为传统的罐壁顶部设置方式，其二为喷射口设置在浮项上。70年代末以来，国外出现了泡沫喷射口浮顶设置方式。90年代末，国内开始引进这种设置方式，其中主要配件耐压软管主要依靠进13。调查的国内21台10万m3油罐均采用钢制双盘式或浮船式浮 顶结构(1lp单、双盘式浮顶)其中14台泡沫喷射口为传统的罐壁顶部设置方式；7台泡沫喷射口设置 在浮顶(除舟山中化兴中石油转运公司岙山油库有4台5万m3油罐泡沫喷射口设置在浮顶金属挡雨板 下部外)的密封或挡雨板上方。国内常见的泡沫喷射13设置方式见图21I(A、B)：NFPAll标准中列举 的泡沫喷射口设置方式见图21-2(A、B、c、D)及图213(A、B、c、11)。* I嚣盖一弩型=一晰弧。；。：i“目1一-“A*。jfHm4”。崎，?艘址妙坐!嘉i，-，j，。二链当泄t JFf自m缸#P十i。1心f广E z 1。c n4e自*-*n*自?婶l一g二生#*#E2 1jD m女l二袅$F鹿#泡讳i币i月十目#女自i一#)3工程实例以10万m3油罐为例，按现行国标GB50151对其进行泡沫灭火系统设计。已知：10万m3油罐直径m 80m、罐壁高218m、钢制双盘式浮顶结构、密封结构为一级密封加二级密封、堰板高度O9m。31 GBS015192(2000版)外浮顶油罐泡沫灭火系统主要设计参数主要设计参数见表311。衰31-1单个泡沫 泡沫混合液泡沫堰与 泡沫混合液堰板高度 喷射口最大 最小连续图211罐壁间距 最小供给强度(O保护弧长 供给时间(脚(Lrainm(m) (rain)软密封 O924A-n6 12机械密封 O6术0602412530-0618B0，624+当泡沫喷射口设置在罐壁顶部时，泡沫堰扳与罐壁间距不应小于0,6m，其余为不宜。32泡沫喷射口为传统的罐壁顶部设置方式设置PC8泡沫产生器12个，并沿罐壁均布，堰板与罐壁间距为t2m。计算简图见图32-1，其中：P1，q1，P2q2，P3，q3分别表示混合液立管l，2，3所控制的泡沫产 生器进口压力值(MPa)及流量(Ls)；T表示泡沫混合液从防火堤到最不利点泡沫产生器所需时间(s)： t表示最有利点泡沫喷出时间与最不利点泡沫喷出时间差：P5表示泡沫混合液管道(防火堤处)所需压力值(MPa)。计算结果见表321；表322。裹32-1PlqlP2 q2 P3q3O58 O53 824 055838”衰322计算结果 喷射口罐壁顶部设置方式T 9n53At 4609P5o89总的泡沫混合液所需流量Q实际=9848Ls，实际泡沫混合液供给强度为198Lminm2，单个喷射 口保护弧长为209m，均满足规范要求。33喷射口浮顶l设置方式 国内目前采用这种设置方式的典型流程为：泡沫通过固定于油罐底部的入VI管和可盘起来的耐压软管穿过油层将泡沫混合液输送到分配器，再通过钢管将其输送到设置于周边的若干泡沫产生器t最 后通过泡沫喷射口将泡沫直接施加到密封区上方灭火。现国内设计33喷射口浮顶上设置方式设置二 根DNl50耐压软管，二组分配器，PC8泡沫产生器12个。已知：堰板与罐壁间距为O9m，泡沫产生器进El压力05Mpa，采用pc一8泡沫产生器。计算简图 见图331，其中：PI=0，5Mpa表示各个泡沫产生器压力均等；T表示泡沫 混合液从防火堤到各个泡沫产生器所需时间(s)；P5表示泡沫混台液管道(防萎嚣蒌嚣曩袭篙6度L为s,兰T掌64竺计算结果见表33_l。1l坚!兰一，震，7=玲淤、，盥火堤处)所需压力值(MPa)。 M。o渤糕I实际泡沫混台液供给强度为 I 4 、嗍秣，2576Lminm2，单个喷射VI保护弧长P5 1 094 、影7为209In，均满足规范要求。常，415万n13油罐泡沫灭火系统设 l。，计计算 。，已知：15万m3油罐直径啦!00m、罐壁高218m、钢制_般盘式浮顶结 构、密封结构为一级密封加二级密封、堰板高度09m。最不利点泡沫产生 器进口压力05Mpa，采用Pc8泡沫产生器。根据lO万一油罐泡沫灭火系统设计思路，按现行规范GB501512000对15万m3油罐进行泡沫火火系统设计。41泡沫喷射口罐壁顶部设置方式 堰板与罐壁问距为12r,a，计算简图见图411，其中：Pl匈1，P2，q2，P3q3分别表示混合液立管l，2，3所控制的泡沭产生器进121压力值(MPa)及流量(Ls)；T表示泡沫混合液从防火堤到最不利点泡沫产生器所需时间(s)：At表不最有利点泡沫喷出时间与最不利点泡沫喷出时间差；P5表示泡沫混台 液管道(防火堤处)所需压力值(MPa)。设置PC8泡沫产牛器14个，沿罐壁均布。计算结果见表41-1：表41-2。表4卜1Plq1P2 q2 P3 q3 P4 q40 50 8oo o 532 8250555842 10 565 850表4卜2计算结果 喷射LJ罐壁顶部设置方式T 10870At79 44P50901酊总的泡沫混合液所需流量Q实际=11568Ls，实际泡沫混合液供给强度为1864Lminm2，单个喷射口保护弧长为224m，均满足规范要求。42喷射口浮顶上设置方式堰板与罐壁间距为O,9m，计算简图见图421，其中：PI=O5Mpa表示各个泡沫产生器压力均等： T表示泡沫混合液从防火堤到各个泡沫产生器所需时间(s)；P5表示泡沫混合液管道(防火堤处)所需压 力值(MPa)。设置二根DNl50耐压软管 二组分配器，PC，8泡沫产生器14个。 计算结果见表攀42一l。 表4 9-1总的泡沫混台液所计算结果 喷射u浮顶设置方式 需流量Q实际=112Ls，T 8631 实际泡沫混合液供给强P5 093度为2398Lminm2，单个喷射口保护弧长为224m，均满足规范要求J43泡沫喷射日设置方式方案比较 油罐泡沫喷射口设置方式优、缺点对比见表43。l。表43-1、逗置方式对比方面 罐壁顶部 汗顶卜优点 一次忡投资较低，便于施工安装及开常维护管理包沫产生器的混合液量分布均匀，缺点 包沫产生器的混合液量分布不均匀，低液位时泡 一次性投资较高，R常维护、检修较为沫损耗量大 困难。10万m3油罐与15万m3油罐泡沫灭火系统计算数据对比见表432。表4 3-2罐壁顶部 浮顶密封区 对比方面10万m315万n1310万m315万m3泡沫混合液从防火堤到油罐摄不利点泡沫产生器所需时间T(s)90 53 10870 644 86 31 油罐最f利点泡沫喷出时划与最不利点泡沫喷出时间差At4609 79 44 0 O 防火堤处泡沫混合液管道压力P5(M0a)O 89 090 094 093 吏际泡沫混合液供给强度(Lminm2) 198 18 6425 7623 98 泡沫混合液实际流量(kgs) 984811568 96 112 油罐泡沐混合液系统所用钏材罐(t) 9 8 “69 7 12 5油罐泡沫混台液系统所用耐压软管罐OO2 2(根，3万美元根)综台分析如下：由上述列表看出，lO万m3油罐喷射口采用浮顶上部设置方式时，泡沫混合液从防火堤到油罐最 不利点泡沫产生器所需时间较罐壁顶部设置方式缩短26秒，防火堤处泡沫混合液管道压力增加005Mpa，从安全的角度出发，两种设置方式均可；而15万m3油罐喷射口采用罐壁顶部设置方式时， 最突出的缺点是油罐最有利点泡沫喷出时间与最不利点泡沫喷出时日J差约80秒，各泡沫产生器的混合 液量分布不均尤为明显，如再考虑低液位时罐壁顶部设置方式的风吹损失等因素，因此，从安全的角度出发，15万m3油罐喷射口采用浮项上部设置方式是较理想的方案a51 5万m3油罐泡沫灭火系统设计设想15万m3油罐喷射口采用浮项上部设置方式是从安全的角度出发的较为理想的方案。但在确保整 个系统的安全性、可靠性的同时，力求泡沫混合液均匀流淌，并以最经济的方式保证泡沫混合液眵供 给强度及供给时间，是_程设计人员始终追求的目标。由10万m3油罐泡沫灭火系统的设计思路对15 万m3油罐泡沫灭火系统设计进行，看来顺理成章，无可厚非，但据一些国外资料介绍，国外10万m3油罐单罐泡沫混合液用量仅为我国的三分之一，能否将我国的单罐灭火泡沫混合液用量降下来，还需进一步研究。51 NFPAI 1-1998浮顶储罐的泡沫灭火系统丰要设计参数介绍 泡沫喷射口从密封上方喷射泡沫的主要设计参数见表51-1。表5卜1单个泡沫嗖射口 泡沫混台液 泡沫混合液晟大保护弧长最小供给最小连续例2l一2 密封形式 (m)强度供给时间堰板高度 堰板高度0Jminm2) (rain)f305mm) f6joram)A机械密封B管式密封加金属挡雨板 管式密封加伞部或部分采用C12220122 244町燃材料的级密封管式密封加金属D一级密封表512列出剀21-3(A、B、C、D)泡沫喷射口从密封或挡雨板下喷射泡沫的土要设计参数。衷5，卜2泡沫混合液 泡沫混合液最 单个泡涑喷射u圜2卜3密封形式 最小供给强度 小连续供给时间 最大保护弧长 (IJmlnm2)(rain)fm、A机械密封 39不需堰扳B 商差h152mm的管式密封加金属挡雨扳18不需堰板204 10C高差h152mm的管式密封加金属挡雨板 18成设堰扳D管式密封加金属二级密封18不需堰板+泡沭堰板设计要求：堰板厚度不应小于34ram(美国标准10#钢板)。堰板应安全牢固地崮定在浮顶上。堰板高度不应小于305ram，且应保证泡沫能够到达并覆盖密封面，并应高出二级密封或金属密封中任何呵燃性镶板5lmm以卜。堰板与罐壁的间距不应小于03m凡不大于06m。根据我国金属挡雨板的结构形式和使用保养情况，为保证系统安全可靠，低倍数泡沫火火系统设 计规范GB50151-92(2000版)推荐了图21I(A、B)两种设计方式，对比表3Il与表511中相应数 据不难发现：对于泡沫喷射口在罐壁顶部、密封上方或挡雨板上方唢射泡沫的形式，表3 11GBS015192(2000版)中有关泡沫混合液供给强度及单个泡沫喷射口最大保护弧长与表51-1数据基奉 致，仅泡沫混台液最小连续供给时间、堰板高度、堰板Lj罐壁日J距大于表51一l数据：GB5015192f2000版)只推荐了泡沫喷射1：3在挡雨板下的设置方式并规定均需安装泡沫堰板，这主要是考虑我国目前浮项 油罐的密封结构以管式密封为主，较少采用机械密封，而泡沫喷射口设置于机械密封或二二次密封下直 接向密封区施加泡沫的方式会破坏密封结构，从而产生开口处的二次密封问题，还需做进一步的研究。52 15万m3油罐泡沫灭火系统混合液流量的确定 泡沫喷射口在密封上方或挡雨板上方喷射泡沫设置方式，低倍数泡沫灭火系统设计规范GB5015192(2000版)与NFPAll-1998的基本参数已接近，说明国内浮顶油罐的泡沫灭 火系统的设计规范正在与国际接轨。表521GB5015192(2000版)中已将泡沫产计算结果 喷射口浮顶设置方式T 7901生器的推荐型号PC8取消，这就意味P5094着选择何种泡沫产生器是由设计人员决定的。采用PC一4